WO2022064628A1 - 電子顕微鏡 - Google Patents

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WO2022064628A1
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electron
electron microscope
detector
electrode
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広康 志知
信裕 岡井
直正 鈴木
雅常 家田
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株式会社日立ハイテク
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    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/26—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes
    • H01J37/266—Measurement of magnetic- or electric fields in the object; Lorentzmicroscopy
    • H01J37/268—Measurement of magnetic- or electric fields in the object; Lorentzmicroscopy with scanning beams
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/244—Detectors; Associated components or circuits therefor
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    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/26—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes
    • H01J37/285—Emission microscopes, e.g. field-emission microscopes

Definitions

  • the present invention relates to an electron microscope.
  • An electron microscope is a device that irradiates an electron beam to magnify the surface or inside of a sample.
  • an electron microscope image is obtained by scanning an electron beam and using secondary electrons or backscattered electrons emitted from a sample as a luminance signal. Therefore, in the scanning electron microscope, an observation image with high resolution can be obtained so that the irradiated electron beam is bundled by using an electrostatic lens or a magnetic field lens.
  • a magnetic field lens having a magnetic field structure that leaks a magnetic field toward the sample is used as an objective lens.
  • Such an objective lens is called a semi-in-lens type or a snorkel type because of its shape.
  • Patent Document 1 discloses an electron microscope that detects secondary electrons emitted from a sample by a detector arranged on the electron source side of the semi-in lens.
  • Patent Document 2 describes an electron microscope that improves the detection efficiency of secondary electrons emitted from a sample by making the inner surface of a cylindrical member arranged in an objective lens a surface having high secondary electron generation efficiency. It will be disclosed.
  • Patent Document 3 by providing a surface having high secondary electron generation efficiency on the inner surface of the inner magnetic pole of the objective lens, the detection efficiency of secondary electrons can be improved and a signal based on backscattered electrons emitted from the sample can be detected.
  • a scanning electron microscope is disclosed.
  • Patent Document 4 discloses a scanning electron microscope provided in a sample chamber with a reflecting plate that emits secondary electrons by collision of backscattered electrons in order to enable simultaneous detection of secondary electrons and backscattered electrons. .. Further, in Patent Document 5, in order to maintain the detection efficiency even if the trajectories of secondary electrons and backscattered electrons change, the voltage applied to the auxiliary electrode extending from the detector toward the sample is applied to the sample table. It is disclosed that the control is based on the tilt and the energy of the irradiated electron beam.
  • the present invention can obtain a scanning electron microscope image by low-angle backscattering electrons, which are backscattered electrons emitted at a low angle with respect to the sample surface, even with an electron microscope provided with an objective lens that leaks a magnetic field to the sample. It is an object of the present invention to provide an electron microscope.
  • the present invention is an electron microscope that generates an observation image of a sample using an electron beam, and is leaked toward the electron source that irradiates the sample with the electron beam and the sample.
  • the objective lens that focuses the electron beam by the leaked magnetic field, which is a magnetic field
  • the low-angle reflected electron which is a reflected electron emitted at a low angle with respect to the surface of the sample, collide with the sample by the leaked magnetic field.
  • a detector that detects tertiary electrons, which are emitted electrons, and a compensating electrode or compensation that is provided between the detector and the position where the low-angle reflected electron collides with the sample and controls the orbit of the tertiary electron. It is characterized by having a magnetic pole.
  • the present invention even with an electron microscope provided with an objective lens that leaks a magnetic field to a sample, it is possible to obtain a scanning electron microscope image by low-angle backscattering electrons, which are backscattered electrons emitted at a low angle with respect to the sample surface. Can provide an electron microscope.
  • FIG. 1 which shows an example of the whole composition of an electron microscope
  • a side view illustrating an example of the orbit of a low-angle electron emitted from a sample at a low angle.
  • Side view explaining the relationship between the energy of low-angle electrons and point A where low-angle electrons collide with a sample.
  • a side view illustrating an example of the orbit of a tertiary electron emitted from a sample due to a collision of backscattered electrons.
  • a side view illustrating a modified example of the compensation electrode of the third embodiment Top view illustrating a modified example of the compensating electrode of the third embodiment. The figure explaining the relationship between the voltage applied to the compensating electrode of Example 3 and the number of detected tertiary electrons E.
  • a side view illustrating a modified example of the compensation electrode of the third embodiment top view illustrating a modified example of the compensating electrode of the third embodiment. The figure explaining the relationship between the voltage applied to the compensating electrode of Example 3 and the number of detected tertiary electrons E.
  • a side view illustrating an example of the compensation electrode of the fourth embodiment Top view explaining an example of the compensation electrode of Example 4.
  • An electron microscope is a device for observing a sample by irradiating the sample with an electron beam.
  • the overall configuration of the electron microscope 100 of Example 1 will be described with reference to FIG.
  • the vertical direction is the Z direction
  • the horizontal direction is the X direction and the Y direction.
  • the electron microscope 100 includes an electron gun 101, an extraction electrode 102, an anode 104, a focusing lens 105, an aperture 106, an adjustment knob 107, an upper deflector 108, a lower deflector 109, a first detector 110, a Wien filter 114, and a pull-up. It includes an electrode 115, an objective lens 118, a sample table 121, a compensation electrode 135, a second detector 136, a control device 150, a display 151, and a storage device 152.
  • the control device 150 is a device that controls the operation of each part, for example, a computer.
  • the storage device 152 stores a control table 153 that defines control conditions such as voltage and current of each part.
  • the control device 150 may read the control table 153 from the storage device 152 and control each unit based on the control conditions defined in the control table 153.
  • the electron gun 101 is an electron source that emits electrons, for example, a field emission cathode.
  • the extraction electrode 102 and the anode 104 are electrodes to which a positive voltage is applied to the electron gun 101, and each has a hole through which the primary electron beam B1 which is an electron emitted from the electron gun 101 passes.
  • the absolute value of the voltage with respect to the electron gun 101 is larger at the anode 104 than at the extraction electrode 102.
  • the focusing lens 105 is a lens that focuses the primary electron beam B1.
  • the diaphragm 106 is a member that determines the opening angle of the primary electron beam B1 in the objective lens 118, and has a hole through which the primary electron beam B1 passes.
  • the adjustment knob 107 is used to adjust the center position of the aperture 106.
  • the upper deflector 108 and the lower deflector 109 deflect the primary electron beam B1 and scan it on the sample 120.
  • the objective lens 118 is a lens that focuses the deflected primary electron beam B1, and has a magnetic pole 116 having a rotationally symmetric shape and an objective lens coil 117.
  • the magnetic field generated by the current flowing through the objective lens coil 117 leaks from the gap 119 of the magnetic pole 116 toward the sample 120, and the primary electron beam B1 is bundled. That is, the objective lens 118 is a semi-in lens.
  • the sample table 121 holds the sample 120 and controls the position and posture of the sample 120. That is, the sample table 121 moves the sample 120 in the horizontal direction or the vertical direction, tilts the sample 120 with respect to the horizontal plane, and rotates the sample 120 with the vertical direction as the rotation axis. A negative voltage is applied to the sample table 121, and an electric field for decelerating the primary electron beam B1 is formed between the sample 120 on the sample table 121 and the objective lens 118.
  • Secondary electrons are, for example, electrons having an energy of less than 100 eV
  • backscattered electrons are, for example, electrons having an energy of 100 eV or more.
  • each of the secondary electrons and backscattered electrons is divided into high-angle electrons C emitted at a high angle and low-angle electrons D emitted at a low angle with respect to the surface of the sample 120.
  • the electric field that decelerates the primary electron beam B1 is pulled up into the passage of the objective lens 118 while accelerating the high-angle electron C.
  • the high-angle electron C pulled up in the passage is affected by the magnetic field of the objective lens 118 and advances to the side of the electron gun 101 while drawing a spiral trajectory.
  • a voltage may be applied to the pull-up electrode 115 provided inside the objective lens 118 so that more high-angle electrons C can be pulled up.
  • the Wien filter 114 has an electrode 111, an electrode 112, and a coil 113, and the high-angle electron C pulled up by the electric field 134 formed by the electrode 111, the electrode 112, and the magnetic field 133 formed by the coil 113 is detected by the first detector 110. Bend towards. Although the electric field 134 and the magnetic field 133 also act on the primary electron beam B1, the actions of the electric field 134 and the magnetic field 133 cancel each other out, so that the primary electron beam B1 travels straight.
  • the first detector 110 detects secondary electrons among the high-angle electrons C deflected by the Wien filter 114, and transmits a detection signal according to the amount of the detected secondary electrons to the control device 150.
  • the control device 150 generates a secondary electron image based on the received detection signal.
  • the generated secondary electron image is displayed on the display 151 or stored in the storage device 152.
  • FIGS. 2A, 2B, and 2C are top views of the sample 120 as viewed from the side of the electron gun 101.
  • the low-angle electron D is emitted in all directions around the specular reflection direction with respect to the primary electron beam B1, and is pulled back to the sample 120 by the leaking magnetic field, which is a magnetic field leaking from the objective lens 118, as shown in FIG. 2A. Collide with 120.
  • the distance from point S to point A where the low-angle electron D collides with the sample 120 depends on the energy and elevation angle of the low-angle electron D and the intensity of the leakage magnetic field. Further, as shown in FIGS. 2B and 2C, each of the low-angle electrons D emitted in all directions draws a rotational orbit around the S point. The direction of the rotating orbit depends on the direction of the leakage magnetic field, and when the direction of the magnetic field is reversed, the direction of the rotating orbit of the low-angle electron D is also reversed. That is, in FIGS. 2B and 2C, the direction of the current flowing through the objective lens coil 117 is opposite, and the direction of the leaking magnetic field is also opposite.
  • FIG. 3 shows the orbits of three low-angle electrons D1, D2, and D3 having different energies.
  • the distance from the point S to the point A depends on the energy and elevation of the low-angle electron D and the strength of the leaked magnetic field, and the higher the energy and the lower the strength of the magnetic field, the longer the distance. That is, as illustrated in FIG. 3, the point A1 where the low-angle electron D1 having the highest energy collides with the sample 120 is the farthest from the point S, and the point A3 where the low-angle electron D3 having the lowest energy collides with the sample 120 is.
  • Example 1 In order to detect the low-angle electron D in the orbit illustrated in FIGS. 2A, 2B, 2C, and 3, the detector brought close to the point S, which is the position where the primary electron beam B1 is irradiated, is the primary electron. It adversely affects the narrowing of the line B1. Therefore, in Example 1, instead of detecting the low-angle electrons D, the secondary electrons emitted from the sample 120 when the low-angle electrons D collide with the sample 120 are detected. In Example 1, the secondary electrons emitted when the low-angle electrons D collide with the sample 120 are called tertiary electrons E, and are distinguished from the secondary electrons emitted from the S point.
  • the third-order electron E is an electron emitted by a backscattered electron having a relatively high energy among the low-angle electrons D, and the amount of the third-order electron E is the amount of the low-angle backscattered electron which is a backscattered electron among the low-angle electrons D. Proportional. Although the amount of the tertiary electron E depends on the state of the position where the low-angle electron D collides, the point A where the low-angle electron D collides is distributed in the annular region centered on the point S, so that the low angle is low. The influence of the state of the position where the electron D collides is reduced.
  • the image generated based on the intensity of the detection signal obtained by detecting the tertiary electron E is a low-angle reflected electron image. It is thought that it is rather difficult to obtain a clear reflected electron image as noise when detecting the tertiary electron generated from the wide annulus region of the sample, but the inventor irradiates the primary electron beam by calculation and experiment. It was found that a backscattered electron image with a sufficiently recognizable structure can be obtained. Since the secondary electrons having relatively low energy among the low-angle electrons D do not contribute to the emission of the tertiary electrons E, the low-angle electrons D will be read as the low-angle backscattered electrons D in the following description.
  • the orbit of the tertiary electron E emitted from the point A where the low-angle reflected electron D collides with the sample 120 will be described.
  • the tertiary electron E has an energy of several eV, and the low-angle reflected electron D is emitted in all directions around the specular reflection direction in the direction of incident on the sample 120, and draws a spiral orbit by the leakage magnetic field. Therefore, in the first embodiment, the detector for detecting the tertiary electron E is arranged at a position away from the point S, and the detector for detecting the tertiary electron E is used in the space where the magnetic field leaked from the objective lens exists. An electrode for superimposing an electric field that controls the orbit of the tertiary electron E is provided.
  • the second detector 136 is a detector that detects the tertiary electron E, and has a fluorescent plate 137, a cover 138, and a photomultiplier tube 139.
  • the fluorescent plate 137 is a flat plate that emits light when the tertiary electron E is incident, and is a detection surface of the second detector 136.
  • the cover 138 is a metal member that forms an electric field that guides the tertiary electron E to the fluorescent plate 137.
  • the photomultiplier tube 139 outputs an electric signal in which the photoelectrons generated by the light emission of the fluorescent plate 137 are amplified.
  • the second detector 136 transmits a detection signal corresponding to the amount of the tertiary electron E incident on the fluorescent plate 137 to the control device 150.
  • the second detector 136 is arranged at a position sufficiently distant from the point S where the primary electron beam B1 is irradiated, for example, outside the outermost diameter of the objective lens 118. Further, the orientation of the second detector 136 is determined so as to improve the detection efficiency of the tertiary electron E. For example, the T point where the center line 140 of the second detector 136, that is, the line passing through the center of the fluorescent plate 137 and orthogonal to the fluorescent plate 137 and the surface of the sample 120 intersects, separates from the S point and approaches the second detector 136.
  • the second detector 136 is arranged.
  • the compensating electrode 135 is an electrode provided between the point S where the primary electron beam B1 is irradiated and the second detector 136, and traverses the orbit of the tertiary electron E in a space where a magnetic field leaked from the objective lens exists. Form a controlling electric field.
  • the center line 140 of the second detector 136 substantially overlaps with the center line of a cylinder having the shape of a photomultiplier tube.
  • FIGS. 5A and 5B control of the trajectory of the tertiary electron E by the compensating electrode 135 will be described in a space where a magnetic field leaked from the objective lens exists.
  • 5A is a side view
  • FIG. 5B is a top view seen from the side of the electron gun 101.
  • FIGS. 5A and 5B show only one orbit of the low-angle reflected electron D emitted from the point S in all directions.
  • the compensating electrode 135 of the first embodiment is composed of an electrode 135A1 and an electrode 135A2 which are flat plates parallel to each other, and a voltage is applied from a voltage source 149.
  • a voltage having opposite polarities and equal absolute value is applied to the electrodes 135A1 and 135A2 arranged substantially perpendicular to the surface of the sample 120 and the fluorescent plate 137, the surface of the sample 120 and the fluorescent plate 137 are substantially parallel to each other.
  • An electric field is formed in the direction of arrow 161. Then, by adjusting the voltage applied to the compensation electrode 135, the ratio of the tertiary electron E emitted from the point A detected by the second detector 136 can be controlled.
  • FIG. 6 will explain an example of the relationship between the voltage applied to the compensation electrode 135 and the number of tertiary electrons E detected by the second detector 136.
  • FIG. 6 shows the relationship obtained by electron orbit analysis, where the horizontal axis is the voltage applied to the electrode 135A1 and the vertical axis is the number of tertiary electrons E detected by the second detector 136.
  • a voltage having a polarity opposite to the voltage applied to the electrode 135A1 is applied to the electrode 135A2.
  • the tertiary electron E emitted from the point A approaches the electrode A1 once, but its trajectory is controlled so as to be directed to the second detector 136 by the electric field in the direction of the arrow 161. That is, the ratio of the tertiary electron E detected by the second detector 136 is determined by adjusting the strength of the electric field formed between the electrodes 135A1 and 135A2 in the space where the magnetic field leaked from the objective lens exists. Can be controlled.
  • the electrons detected by the second detector 136 are not limited to the tertiary electrons E, but may include secondary electrons and backscattered electrons emitted from the S point, backscattered electrons emitted from the A point, and the like.
  • the main element of the electron detected by the second detector 136 is the tertiary electron E, and the amount of secondary electrons and backscattered electrons emitted from point S and the amount of backscattered electrons emitted from point A is that of the third electron E. Less than the amount.
  • the tertiary electron E emitted when the low-angle reflected electron D emitted in a specific direction among all directions collides with the sample 120 is detected. Therefore, the generated low-angle reflected electron image is a direction-limited image.
  • the sample 120 or the sample table 121 includes the annular region where the point A is distributed. It is desirable to have a size that can be used.
  • the outer diameter of the annular region depends on the strength of the leakage magnetic field, and is, for example, about 200 mm in the case of the objective lens 118 used in the electron microscope 100 having an image resolution of several nm. That is, when the image resolution of the electron microscope 100 is several nm, it is desirable that the sample 120 or the sample table 121 has a diameter of 200 mm or more.
  • the shape of the sample 120 or the sample table 121 is not limited to a circle, and may be any shape such as a rectangle.
  • the direction of the electric field formed between the electrodes 135A1 and 135A2 is set according to the direction of the leakage magnetic field. That is, when the low-angle reflection electron D rotates counterclockwise as illustrated in FIGS. 2C and 5B, an electric field is formed in the direction of arrow 161 in FIG. 5B, and low-angle reflection is exemplified as in FIG. 2B. When the electron D rotates clockwise, an electric field is formed in the opposite direction.
  • the compensating electrode 135 forms an electric field in a direction that suppresses the rotation of the low-angle reflected electron D due to the leakage magnetic field. That is, the tertiary electron is guided to the second detector 136 by superimposing the electric field formed by the compensating electrode 135 on the leakage magnetic field of the objective lens.
  • the compensating electrode 135 be arranged near the surface of the sample 120.
  • the distance between the sample 120 and the compensating electrode 135 may be made equal to, for example, the distance between the sample 120 and the objective lens 118.
  • the orbit of the tertiary electron E is controlled by the electric field formed by the compensating electrode 135, it is desirable that the surface of the compensating electrode 135 facing the sample 120 is parallel to the surface of the sample 120. With such a structure, an electric field can be formed that covers the region where the tertiary electron E flies more widely, and it becomes easy to control the orbit of the tertiary electron E.
  • the number of electrodes constituting the compensation electrode 135 is not limited to two, and may be three or more, and is applied to each electrode so that the value of the detection signal output from the second detector 136 becomes higher.
  • the voltage to be applied may be adjusted.
  • the angle formed by the center line 140 of the second detector 136 and the surface of the sample 120 may be adjusted so that the value of the detection signal output from the second detector 136 becomes higher.
  • FIG. 7 An example of a screen displayed on the display 151 will be described with reference to FIG. 7.
  • an indicator 156 is displayed together with a secondary electron image 154 and a backscattered electron image 155.
  • the secondary electron image 154 is an image generated based on the detection signal transmitted from the first detector 110
  • the backscattered electron image 155 is an image generated based on the detection signal transmitted from the second detector 136.
  • the indicator 156 indicates whether or not a voltage is applied to the compensation electrode 135, and FIG. 7 illustrates a case where a voltage is applied.
  • the secondary electron image 154 is an image having a high signal-to-noise ratio (SNR), so that it is easy to observe the details of the sample 120, but even an image in which the unevenness of the sample 120 is difficult to recognize. be.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • the reflected electron image 155 is an image whose orientation is limited, an image including a bright line 158 indicating the end of the structure and a shadow 159 generated in the vicinity of the structure as if the light was applied from the illumination direction 157. It becomes. That is, the image becomes easy to recognize the unevenness of the sample 120.
  • the low-angle reflected electron D collides with the sample 120 by superimposing the electric field formed by the compensation electrode 135. Since the tertiary electron E emitted from is controlled toward the second detector 136, the tertiary electron E can be detected by the second detector 136. Since the amount of the tertiary electron E is proportional to the amount of low-angle reflected electrons emitted from the point S irradiated with the electron beam, a low-angle reflected electron image can be generated based on the detection signal of the second detector 136. ..
  • the second detector 136 is arranged at a position that does not adversely affect the narrowing of the primary electron beam B1, and the compensation electrode 135 is provided between the point A and the second detector 136.
  • Example 1 even with an electron microscope provided with an objective lens that leaks a magnetic field to the sample, an electron microscope capable of acquiring a scanning electron microscope image by backscattered electrons emitted at a low angle with respect to the sample surface is provided. Can be provided. In addition, it is possible to obtain an image in which unevenness is easily recognized as compared with the conventional case.
  • Example 1 a case where the compensating electrode 135 provided between the point A where the low-angle reflected electron D collides with the sample 120 and the second detector 136 is composed of the electrodes 135A1 and 135A2 parallel to each other will be described. did.
  • the second embodiment a case where a grid electrode is provided together with a compensating electrode 135 composed of the electrodes 135A1 and 135A2 will be described. Since a part of the configuration and the function described in the first embodiment can be applied to the second embodiment, the same reference numerals are used for the same configuration and the function, and the description thereof will be omitted.
  • FIGS. 8A and 8B The compensating electrode 135 and the grid electrode 162 of the second embodiment will be described with reference to FIGS. 8A and 8B.
  • 8A is a side view
  • FIG. 8B is a top view seen from the side of the electron gun 101.
  • the compensating electrode 135 is composed of electrodes 135A1 and 135A2 parallel to each other, and is provided between the point A where the low-angle reflected electron D collides with the sample 120 and the second detector 136.
  • the grid electrode 162 is an electrode in which metal wires are assembled in a grid pattern, and is provided between the point S on which the primary electron beam B1 is irradiated and the compensating electrode 135. Instead of the grid electrode 162, an electrode composed of a thin metal plate having a plurality of openings through which electrons pass may be used.
  • the grid electrode 162 is a ground potential and prevents the electric field formed by the compensating electrode 135 from deflecting the primary electron beam B1. As a result, the increase in the beam diameter of the primary electron beam B1 due to the deflection aberration is suppressed, and the resolution of the electron microscope can be maintained.
  • the tertiary electron E emitted from the point A flies while receiving the force from the electric field and the leakage magnetic field formed by the compensation electrode 135, and is incident on the second detector 136. Detected.
  • a voltage of several volts may be applied to the grid electrode 162.
  • the detection efficiency of the second detector 136 is improved, and a backscattered electron image having a high SNR can be obtained.
  • the second embodiment as in the first embodiment, even in an electron microscope provided with an objective lens that leaks a magnetic field to the sample, a scanning electron microscope image by backscattered electrons emitted at a low angle with respect to the sample surface can be obtained. An obtainable electron microscope can be provided. Further, since the grid electrode 162 can suppress the increase in the beam diameter of the primary electron beam B1 and improve the detection efficiency in the second detector 136, the image quality of the reflected electron image can be improved.
  • Example 1 a case where the compensating electrode 135 provided between the point A where the low-angle reflected electron D collides with the sample 120 and the second detector 136 is composed of the electrodes 135A1 and 135A2 parallel to each other will be described. did.
  • the compensating electrode 135 is composed of either the electrode 135A1 or the electrode 135A2. Since a part of the configuration and the function described in the first embodiment can be applied to the third embodiment, the same reference numerals are used for the same configuration and the function, and the description thereof will be omitted.
  • FIGS. 9A and 9B The compensating electrode 135 of the third embodiment will be described with reference to FIGS. 9A and 9B.
  • 9A is a side view
  • FIG. 9B is a top view seen from the side of the electron gun 101.
  • FIGS. 9A and 9B show only one orbit of the low-angle reflected electron D emitted from the point S in all directions.
  • the compensating electrode 135 exemplified in FIGS. 9A and 9B is provided between the point A where the low-angle reflected electron D collides with the sample 120 and the second detector 136, as in the first embodiment.
  • the compensating electrode 135 is configured by the electrode 135A1 which is one of the electrodes 135A1 and the electrodes 135A2 which are parallel to each other shown in the first embodiment.
  • the low-angle reflected electron D is rotated counterclockwise by the leakage magnetic field toward the electrode 135A1 and emits the tertiary electron E from the point A that collides with the sample 120.
  • FIG. 9B the low-angle reflected electron D is rotated counterclockwise by the leakage magnetic field toward the electrode 135A1 and emits the tertiary electron E from the point A that collides with the sample 120.
  • the tertiary electron E when a negative voltage is applied to the electrode 135A1, the tertiary electron E approaches the electrode 135A1 once, but the trajectory is controlled so as to be directed to the second detector 136 by the electric field formed around the electrode 135A1. Will be done. That is, the ratio of the tertiary electron E detected by the second detector 136 by adjusting the strength of the electric field formed around the electrode 135A1 in the space where the magnetic field leaking from the semi-in lens which is the objective lens exists. Can be controlled.
  • FIG. 10 shows the relationship obtained by electron orbit analysis as in FIG. 6, where the horizontal axis represents the voltage applied to the electrode 135A1 and the vertical axis represents the number of tertiary electrons E detected by the second detector 136. be.
  • FIG. 10 shows that the number of tertiary electrons E detected when a voltage of ⁇ 200 V is applied to the electrode 135A1 is the largest, which is about 6 times that when no voltage is applied.
  • a positive voltage is applied to the electrode 135A1
  • FIGS. 11A and 11B A modified example of the compensation electrode 135 of the third embodiment will be described with reference to FIGS. 11A and 11B.
  • 11A is a side view
  • FIG. 11B is a top view seen from the side of the electron gun 101.
  • FIGS. 11A and 11B show only one orbit of the low-angle reflected electron D emitted from the point S in all directions.
  • the compensating electrode 135 exemplified in FIGS. 11A and 11B is provided between the point A where the low-angle reflected electron D collides with the sample 120 and the second detector 136, similarly to FIGS. 9A and 9B.
  • the compensating electrode 135 is configured by the electrode 135A2 which is the electrode on the opposite side to the case of FIGS. 9A and 9B.
  • the low-angle reflected electron D is rotated clockwise in the direction opposite to that of FIG. 9B by the leakage magnetic field toward the electrode 135A2, and is tertiary from the point A colliding with the sample 120. Emit electron E.
  • FIG. 11B the low-angle reflected electron D is rotated clockwise in the direction opposite to that of FIG. 9B by the leakage magnetic field toward the electrode 135A2, and is tertiary from the point A colliding with the sample 120. Emit electron E.
  • the tertiary electron E when a negative voltage is applied to the electrode 135A2, the tertiary electron E approaches the electrode 135A2 once, but the trajectory is controlled so as to be directed to the second detector 136 by the electric field formed around the electrode 135A2. Will be done. That is, the ratio of the tertiary electron E detected by the second detector 136 by adjusting the strength of the electric field formed around the electrode 135A2 in the space where the magnetic field leaking from the semi-in lens which is the objective lens exists. Can be controlled.
  • FIG. 12 shows the relationship obtained by electron orbit analysis as in FIGS. 6 and 10.
  • the horizontal axis is the voltage applied to the electrode 135A2
  • the vertical axis is the tertiary electron E detected by the second detector 136. Is the number of.
  • the number of tertiary electrons E detected when a voltage of ⁇ 200 V is applied to the electrode 135A2 is the largest, and the tertiary electrons detected when a positive voltage is applied to the electrode 135A2. It is shown that there is no significant change in the number of E, which is the same tendency as in FIG. That is, it is desirable that a voltage is applied to the electrode 135A2 so that an electric field is formed in a direction that suppresses the rotation of the low-angle reflected electron D due to the leakage magnetic field, as in the first embodiment.
  • FIGS. 13A and 13B A modified example of the compensation electrode 135 of the third embodiment will be described with reference to FIGS. 13A and 13B.
  • 13A is a side view
  • FIG. 13B is a top view seen from the side of the electron gun 101.
  • FIGS. 13A and 13B show only one orbit of the low-angle reflected electron D emitted from the point S in all directions.
  • the compensating electrode 135 exemplified in FIGS. 13A and 13B is the electrode 135A2 provided between the point A where the low-angle reflected electron D collides with the sample 120 and the second detector 136, similarly to FIGS. 11A and 11B. Consists of. Further, as shown in FIG. 13B, the low-angle reflected electron D rotates counterclockwise in the direction opposite to that of FIG. 11B due to the leakage magnetic field, moves away from the electrode 135A2 side, and collides with the sample 120 from the point A. The third electron E is emitted. In FIG.
  • the tertiary electron E when a positive voltage is applied to the electrode 135A2, the tertiary electron E is once separated from the electrode 135A2, but the trajectory is controlled so as to be directed to the second detector 136 by the electric field formed around the electrode 135A2. Will be done. That is, the ratio of the tertiary electron E detected by the second detector 136 by adjusting the strength of the electric field formed around the electrode 135A2 in the space where the magnetic field leaking from the semi-in lens which is the objective lens exists. Can be controlled.
  • the compensating electrode 135 is composed of either the electrode 135A1 or the electrode 135A2, the polarity of the voltage applied to the compensating electrode 135 is switched according to the direction of the leakage magnetic field, so that the tertiary electron E Can be detected.
  • FIG. 14 shows the relationship obtained by electron orbit analysis as in FIGS. 6, 10, and 12, where the horizontal axis is the voltage applied to the electrode 135A2 and the vertical axis is detected by the second detector 136. It is the number of tertiary electrons E.
  • the number of third-order electrons E detected does not increase so much when a negative voltage is applied to the electrode 135A2, and the third-order electrons detected as the positive voltage applied to the electrode 135A2 increases. It is shown that the number of E increases. That is, it is desirable that a voltage is applied to the electrode 135A2 so that an electric field is formed in a direction that suppresses the rotation of the low-angle reflected electron D due to the leakage magnetic field, as in the first embodiment.
  • the compensating electrode 135 of the third embodiment is composed of only one of the electrode 135A1 and the electrode 135A2, it is possible to provide an electron microscope having a simple structure and a low manufacturing cost.
  • Example 1 the case where the sample 120 was kept horizontal was described.
  • Example 4 the case where the sample 120 is tilted with respect to the horizontal plane will be described. Since some of the configurations and functions described in the first embodiment can be applied to the fourth embodiment, the same reference numerals are used for the same configurations and functions, and the description thereof will be omitted.
  • FIGS. 15A and 15B Example 4 will be described with reference to FIGS. 15A and 15B.
  • 15A is a side view
  • FIG. 15B is a top view seen from the side of the electron gun 101. Further, FIGS. 15A and 15B show only one orbit of the low-angle reflected electron D emitted from the point S in all directions.
  • the compensating electrode 135 exemplified in FIGS. 15A and 15B is configured by the electrode 135A1 as in FIGS. 9A and 9B, and has a point A at which the low-angle reflected electron D collides with the sample 120 and a second detector 136. It is provided in between. Further, since the sample table 121 is tilted 45 degrees with respect to the horizontal plane, the sample 120 held by the sample table 121 is also tilted 45 degrees with respect to the horizontal plane. In FIG. 15B, since the point A where the low-angle reflected electron D collides with the sample 120 is farther from the objective lens 118, the magnetic field strength near the point A is weak, and the third electron E emitted from the point A is detected second. Easy to reach vessel 136. In addition, in order to avoid collision with the sample 120, the electrode 135A1 and the second detector 136 are provided on the side where the sample 120 is lowered.
  • FIGS. 16A and 16B A modified example of the fourth embodiment will be described with reference to FIGS. 16A and 16B.
  • 16A is a side view
  • FIG. 16B is a top view seen from the side of the electron gun 101.
  • FIGS. 16A and 16B show only one orbit of the low-angle reflected electron D emitted from the point S in all directions.
  • the compensating electrode 135 and the second detector 136 exemplified in FIGS. 16A and 16B are configured by the electrodes 135A1 as in FIGS. 9A and 9B, and the low-angle reflected electron D collides with the sample 120 at the point A and the second detector. (Ii) It is provided between the detector 136 and the detector 136. Also, as in FIGS. 15A and 15B, the sample 120 is tilted 45 degrees with respect to the horizontal plane. However, in order to improve the detection rate of the tertiary electron E, the electrodes 135A1 and the second detector 136 are arranged on the side inclined to the tilt direction of the sample 120 and facing the low-angle reflected electron D as shown in FIG. 16B.
  • the sample 120 is tilted so as to be.
  • the detection rate of the tertiary electron E decreases.
  • the detection rate of the tertiary electron E is improved at the position of the second detector 136G. That is, the direction in which the sample 120 is tilted may be set so that the detection rate of the tertiary electron E in the second detector 136 is improved according to the direction of the leakage magnetic field and the position of the second detector 136. Further, the direction of the leakage magnetic field may be set so that the detection rate of the tertiary electron E in the second detector 136 is improved.
  • a scanning electron microscope image by backscattered electrons emitted at a low angle with respect to the sample surface can be obtained.
  • An obtainable electron microscope can be provided.
  • the tertiary electron E can be detected even when the sample 120 is tilted with respect to the horizontal plane, a backscattered electron image having a high SNR can be obtained.
  • Examples 1 to 4 a case where a set of compensation electrodes 135 and a second detector 136 are provided has been described.
  • the fifth embodiment a case where two sets of compensation electrodes 135 and a second detector 136 are provided will be described. Since some of the configurations and functions described in the first embodiment can be applied to the fifth embodiment, the same reference numerals are used for the same configurations and functions, and the description thereof will be omitted.
  • FIGS. 17A and 17B are top views viewed from the side of the electron gun 101.
  • the sample 120 is kept horizontal, and in FIG. 17B, the sample 120 is tilted in the same manner as in FIG. 16B.
  • FIG. 17A shows two orbits of the low-angle reflected electron D emitted from the point S in all directions.
  • a pair of the electrode 135A1 and the second detector 136 is provided in the same manner as in FIG. 16B, and a pair of the electrode 135B1 and the second detector 136T is provided.
  • the angle formed by the half-line extending from the point S to the second detector 136 and the second detector 136T is 90 degrees.
  • the electrode 135A1 is provided between the point A where the low-angle reflected electron D collides with the sample 120 and the second detector 136, and is emitted from the point A in a space where a magnetic field exists to leak from the objective lens 118. An electric field is superimposed so that the tertiary electron E is directed toward the second detector 136. Further, the electrode 135B1 is provided between the AT point where the low-angle reflected electron DT collides with the sample 120 and the second detector 136T, and is emitted from the AT point in a space where a magnetic field exists to leak from the objective lens 118. A magnetic field is superimposed so that the tertiary electron ET is directed toward the second detector 136T.
  • the tertiary electron E detected by the second detector 136 and the tertiary electron ET detected by the second detector 136T are such that the low-angle reflected electron D and the low-angle reflected electron DT having different azimuth angles collide with the sample 120. Since it is emitted at, it is possible to obtain two backscattered electron images with different azimuth angles. Since the two reflected electron images obtained are shadow images having different illumination directions by 90 degrees, the uneven structure of the sample 120 can be more clearly grasped by observing both of them. If the two sets of compensating electrodes 135 and the second detector 136 are arranged as shown in FIG. 17B, it is possible to obtain two backscattered electron images having different azimuth angles even when the sample 120 is tilted. ..
  • the fifth embodiment as in the first embodiment, even in an electron microscope provided with an objective lens that leaks a magnetic field to the sample, a scanning electron microscope image by backscattered electrons emitted at a low angle with respect to the sample surface can be obtained. An obtainable electron microscope can be provided. Further, since two backscattered electron images having different azimuth angles can be obtained, the uneven structure of the sample 120 can be grasped more clearly.
  • Examples 1 to 5 a case where the compensating electrode 135 is provided between the point A where the low-angle reflected electron D collides with the sample 120 and the second detector 136 has been described.
  • a compensating magnetic pole forming a magnetic field for controlling the trajectory of the tertiary electron E is provided instead of the compensating electrode 135 will be described. Since a part of the configuration and the function described in the first embodiment can be applied to the sixth embodiment, the same reference numerals are used for the same configuration and the function, and the description thereof will be omitted.
  • Example 6 will be described with reference to FIGS. 18A and 18B.
  • 18A is a side view
  • FIG. 18B is a top view seen from the side of the electron gun 101. Further, FIGS. 18A and 18B show only one orbit of the low-angle reflected electron D emitted from the point S in all directions.
  • the compensating magnetic field 131 forms a magnetic field that acts to suppress the rotation of the low-angle reflected electron D due to the leakage magnetic field. That is, a magnetic field in the direction opposite to the direction of the leakage magnetic field is formed by the compensating magnetic field 131.
  • the magnetic field formed by the compensating magnetic pole 131 acts so that the tertiary electron E emitted from the point A where the low-angle reflected electron D collides with the sample 120 is directed toward the second detector 136. As a result, the number of tertiary electrons E detected by the second detector 136 increases, and a backscattered electron image with a high SNR can be obtained.
  • the direction of the magnetic field formed by the compensating magnetic pole 131 may be controlled to be in the opposite direction. Further, it is desirable that the compensating magnetic pole 131 is arranged sufficiently away from the region where the low-angle reflected electron D flies. Further, instead of the compensating magnetic pole 131, a magnetic shielding material that shields the leakage magnetic field may be provided between the point A and the second detector 136.
  • the sixth embodiment as in the first embodiment, even in an electron microscope provided with an objective lens that leaks a magnetic field to the sample, a scanning electron microscope image by backscattered electrons emitted at a low angle with respect to the sample surface can be obtained. An obtainable electron microscope can be provided. Further, when a permanent magnet is used as the compensating magnetic pole 131, it is not necessary to provide a power source used for the compensating magnetic pole 131, so that it is possible to provide an electron microscope having a simple structure and low manufacturing cost and running cost.
  • Examples 1 to 5 a case where a flat plate electrode is provided as the compensation electrode 135 has been described.
  • the seventh embodiment a case where an electrode having a refracted shape is provided as the compensating electrode 135 will be described. Since a part of the configuration and the function described in the first embodiment can be applied to the seventh embodiment, the same reference numerals are used for the same configuration and the function, and the description thereof will be omitted.
  • FIGS. 19A and 19B are top views seen from the side of the electron gun 101.
  • the sample 120 is kept horizontal, and in FIG. 19B, the sample 120 is tilted 45 degrees.
  • the tilt axis is an axis parallel to the Y axis.
  • FIG. 19A shows the orbit of one of the low-angle reflected electrons D emitted from the point S in all directions.
  • the electrodes 135A1 and 135A2 are provided between the point A where the low-angle reflected electron D collides with the sample 120 and the second detector 136. Then, in a space where a magnetic field exists to leak from the objective lens 118, an electric field is superimposed so that the tertiary electron E emitted from the point A is directed toward the second detector 136. As a result, a backscattered electron image in which the azimuth angle of backscattered electron emission is limited can be obtained.
  • the electrodes 135A1 and 135A2 are directed toward the electrodes facing each other on the S point side to which the primary electron beam B1 is irradiated, that is, on the objective lens side. It is refracted. By doing so, it was found that the probability that the tertiary electron E reaches the second detector 136 is particularly high. In particular, the effect is high when the position A where the excitation of the objective lens is strong and the reflected electrons collide is close to the point S. As a result, a backscattered electron image with a high SNR is obtained. That is, the uneven structure of the sample 120 can be grasped more clearly.
  • the electrode 135A1 is refracted inward as shown in FIG. 19A.
  • the distance from the facing electrode 135A2 becomes shorter on the tip side than on the detector side.
  • the object is refracted toward the center line 140 of the second detector 136 on the objective lens side. That is, when the electrode 135A1 is refracted toward the center line 140 of the detector as shown in FIG. 19B, as shown in FIG. 19B, even when the stage is tilted by an axis parallel to the Y axis, the electrode 135A1 and the electrode 135A1 are refracted. The effect is that the stage does not interfere.
  • the electrode 135A2 also refracts the objective lens side in the direction of the center line of the detector. By doing so, it was found that the probability that the tertiary electron E reaches the second detector 136 is particularly high.
  • the effect of the electrode 135A1 is greater under the magnetic field conditions of the objective lens of Example 7. That is, in Example 7, both the electrodes 135A1 and 135A2 are refracted, but only one may be refracted.
  • the flat plate is refracted in FIG. 19A, it may be bent in an arc. Also, it does not necessarily have to be a flat plate.
  • the compensating electrode refracts toward the center line 140 of the second detector 136 does not mean that the direction of refraction is limited to one direction.
  • the space near the second detector 136 is roughly divided into a space including the center line 140 of the second detector 136 and a space not including the center line 140 with respect to the compensating electrode, the second detector 136 It suffices if it is refracted or curved toward the space side including the center line 140 of the above, and the position and direction of the start of refraction or curvature, the angle of refraction, and the curvature of the curvature are not limited.
  • the same effect can be obtained when the distance between the two compensating electrodes is smaller on the electron beam side than on the objective lens side and the detector side. That is, the same effect can be obtained if the distance between the compensating electrode and the center line of the detector is shorter on the objective lens side than on the detector side.
  • the grid electrode 162 is inserted between the compensation electrode 135 and the point S as shown in the second embodiment. In this case, the effect of the compensating electrode voltage on the electron beam can be reduced.
  • the seventh embodiment as in the first embodiment, even in an electron microscope provided with an objective lens that leaks a magnetic field to the sample, a scanning electron microscope image by backscattered electrons emitted at a low angle with respect to the sample surface can be obtained. An obtainable electron microscope can be provided.
  • the tertiary electrons can be detected with particularly high efficiency, a backscattered electron image having a high SNR can be obtained, so that the uneven structure of the sample 120 can be grasped more clearly.
  • the plurality of examples of the electron microscope of the present invention have been described above.
  • the present invention is not limited to the above embodiment, and the components can be modified and embodied without departing from the gist of the invention.
  • a plurality of components disclosed in the above examples may be appropriately combined. Further, some components may be deleted from all the components shown in the above embodiment.
  • 100 ... electron microscope, 101 ... electron gun, 102 ... drawer electrode, 104 ... anode, 105 ... focusing lens, 106 ... aperture, 107 ... adjustment knob, 108 ... upper deflector, 109 ... lower deflector, 110 ... first Detector, 111 ... Electrode, 112 ... Electrode, 113 ... Coil, 114 ... Wien filter, 115 ... Pulling electrode, 116 ... Magnetic field, 117 ... Objective lens coil, 118 ... Objective lens, 119 ... Gap, 120 ... Sample, 121 ... Sample stand, 131 ... Compensating magnetic pole, 133 ... Magnetic field, 134 ... Electric field, 135 ... Compensating electrode, 136 ...
  • Second detector 137 ... Fluorescent plate, 138 ... Cover, 139 ... Photomultiplier tube, 150 ... Control device, 151 ... Display, 152 ... Storage device, 153 ... Control table, 154 ... Secondary electron image, 155 ... Reflected electron image, 156 ... Indicator, 157 ... Illumination direction, 158 ... Bright line, 159 ... Shadow, 161 ... Arrow, 162 ... Grid electrode

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

試料に磁界を漏洩させる対物レンズを備える電子顕微鏡であっても、試料面に対して低角で放出される反射電子である低角反射電子による走査電子顕微鏡像を取得可能にするために、電子線を用いて試料の観察画像を生成する電子顕微鏡であって、前記電子線を前記試料に照射する電子源と、前記試料に向けて漏洩される磁界である漏洩磁界によって前記電子線を集束する対物レンズと、前記試料の表面に対して低角で放出される反射電子である低角反射電子が前記漏洩磁界によって前記試料に衝突させられるときに放出される電子である三次電子を検出する検出器と、前記低角反射電子が前記試料に衝突する位置と前記検出器との間に設けられ、前記三次電子の軌道を制御する補償電極または補償磁極を備えることを特徴とする。

Description

電子顕微鏡
　本発明は、電子顕微鏡に関する。
　電子顕微鏡は、電子線を照射して試料の表面または内部を拡大観察する装置である。特に、走査電子顕微鏡では、電子線を走査して試料から放出される二次電子または反射電子を輝度信号として電子顕微鏡像を得る。このため走査電子顕微鏡では、照射される電子線を静電レンズや磁界レンズを用いて細束化するほど高分解能の観察画像が得られる。特に短焦点化するために、試料に向けて磁界を漏洩させる磁極構造を有する磁界レンズが対物レンズとして用いられる。このような対物レンズは、セミインレンズ型あるいはその形状からシュノーケル型と呼ばれる。
　セミインレンズ型の対物レンズが用いられる電子顕微鏡の例を説明する。特許文献１には、セミインレンズよりも電子源側に配置された検出器によって、試料から放出される二次電子を検出する電子顕微鏡が開示される。特許文献２には、対物レンズ内に配置される円筒状部材の内面を、二次電子発生効率の高い面にすることにより、試料から放出される二次電子の検出効率を向上させる電子顕微鏡が開示される。特許文献３には、対物レンズの内側磁極の内面に二次電子発生効率の高い面を設けることにより、二次電子の検出効率を高めるとともに、試料から放出される反射電子に基づく信号も検出できる走査電子顕微鏡が開示される。
　また特許文献４には、二次電子と反射電子の分離同時検出を可能とするため、反射電子の衝突により副次電子を放出する反射板が試料室内に設けられた走査電子顕微鏡が開示される。さらに特許文献５には、二次電子や反射電子の軌道が変化しても検出効率を維持するために、検出器から試料に向かって延在する補助電極に印加される電圧を、試料台の傾きと照射される電子線のエネルギに基づいて制御することが開示される。
国際公開２０１１／０５５５２０号公報 特開２００１－５７１７２号公報 特開平１１－１１１２１１号公報 特開２００８－４７３１０号公報 特開２００８－２１０７０２号公報
　しかしながら、いずれの特許文献にもセミインレンズが用いられる電子顕微鏡において、反射電子像の画質向上のために、試料面に対して低角で放出される反射電子である低角反射電子を検出することに対する配慮はなされていない。電子線を細束化するために対物レンズであるセミインレンズから漏洩させられる磁界は、低角反射電子以外の反射電子の検出を妨げないが、低角反射電子を試料へ引き戻し、低角反射電子の検出を妨げる。なお低角反射電子を検出するために電子線が照射される位置に検出器を近づけすぎけると、電子線の細束化に悪影響を及ぼす。
　そこで本発明は、試料に磁界を漏洩させる対物レンズを備える電子顕微鏡であっても、試料面に対して低角で放出される反射電子である低角反射電子による走査電子顕微鏡像を取得可能な電子顕微鏡を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために本発明は、電子線を用いて試料の観察画像を生成する電子顕微鏡であって、前記電子線を前記試料に照射する電子源と、前記試料に向けて漏洩される磁界である漏洩磁界によって前記電子線を集束する対物レンズと、前記試料の表面に対して低角で放出される反射電子である低角反射電子が前記漏洩磁界によって前記試料に衝突させられるときに放出される電子である三次電子を検出する検出器と、前記低角反射電子が前記試料に衝突する位置と前記検出器との間に設けられ、前記三次電子の軌道を制御する補償電極または補償磁極を備えることを特徴とする。
　本発明によれば、試料に磁界を漏洩させる対物レンズを備える電子顕微鏡であっても、試料面に対して低角で放出される反射電子である低角反射電子による走査電子顕微鏡像を取得可能な電子顕微鏡を提供することができる。
電子顕微鏡の全体構成の一例を示す図 試料から低角に放出される低角電子の軌道の一例を説明する側面図 低角電子の軌道の一例を説明する上面図 低角電子の軌道の一例を説明する上面図 低角電子のエネルギと低角電子が試料に衝突するＡ点との関係を説明する側面図 反射電子の衝突により試料から放出される三次電子の軌道の一例を説明する側面図 補償電極による三次電子の軌道の制御について説明する側面図 補償電極による三次電子の軌道の制御について説明する上面図 補償電極に印加される電圧と検出される三次電子Ｅの数との関係を説明する図 実施例１の画面の一例を示す図 実施例２の補償電極とグリッド電極について説明する側面図 実施例２の補償電極とグリッド電極について説明する上面図 実施例３の補償電極の一例について説明する側面図 実施例３の補償電極の一例について説明する上面図 実施例３の補償電極に印加される電圧と検出される三次電子Ｅの数との関係を説明する図 実施例３の補償電極の変形例について説明する側面図 実施例３の補償電極の変形例について説明する上面図 実施例３の補償電極に印加される電圧と検出される三次電子Ｅの数との関係を説明する図 実施例３の補償電極の変形例について説明する側面図 実施例３の補償電極の変形例について説明する上面図 実施例３の補償電極に印加される電圧と検出される三次電子Ｅの数との関係を説明する図 実施例４の補償電極の一例について説明する側面図 実施例４の補償電極の一例について説明する上面図 実施例４の補償電極の変形例について説明する側面図 実施例４の補償電極の変形例について説明する上面図 実施例５の補償電極の一例について説明する上面図 実施例５の補償電極の一例について説明する上面図 実施例６の補償磁極の一例について説明する側面図 実施例６の補償磁極の一例について説明する上面図 実施例７の補償電極の一例について説明する上面図 実施例７の補償電極の一例について説明する上面図
　以下、添付図面に従って本発明に係る電子顕微鏡の実施例について説明する。電子顕微鏡は、電子線を試料に照射することによって試料を観察する装置である。
　図１を用いて実施例１の電子顕微鏡１００の全体構成について説明する。なお鉛直方向をＺ方向、水平方向をＸ方向及びＹ方向とする。電子顕微鏡１００は、電子銃１０１、引出電極１０２、陽極１０４、集束レンズ１０５、絞り１０６、調整ノブ１０７、上側偏向器１０８、下側偏向器１０９、第一検出器１１０、ウィーンフィルタ１１４、引上電極１１５、対物レンズ１１８、試料台１２１、補償電極１３５、第二検出器１３６、制御装置１５０、ディスプレイ１５１、記憶装置１５２を備える。制御装置１５０は各部の動作等を制御する装置であり、例えばコンピュータである。記憶装置１５２には、各部の電圧、電流等の制御条件を定めた制御テーブル１５３が格納される。制御装置１５０は、記憶装置１５２から制御テーブル１５３を読み出して、制御テーブル１５３に定められた制御条件に基づいて各部を制御しても良い。
　電子銃１０１は、電子を放出する電子源であり、例えば電界放出型陰極である。引出電極１０２と陽極１０４は、電子銃１０１に対し正の電圧が印加される電極であり、電子銃１０１から放出される電子である一次電子線Ｂ１が通過する孔をそれぞれが有する。なお電子銃１０１に対する電圧の絶対値は、陽極１０４のほうが引出電極１０２よりも大きい。集束レンズ１０５は、一次電子線Ｂ１を集束させるレンズである。絞り１０６は、対物レンズ１１８における一次電子線Ｂ１の開き角を定める部材であり、一次電子線Ｂ１が通過する孔を有する。調整ノブ１０７は、絞り１０６の中心位置の調整に用いられる。上側偏向器１０８及び下側偏向器１０９は、一次電子線Ｂ１を偏向して試料１２０の上で走査させる。
　対物レンズ１１８は、偏向された一次電子線Ｂ１を集束させるレンズであり、回転対称な形状の磁極１１６と対物レンズコイル１１７を有する。対物レンズコイル１１７に電流が流れることにより発生する磁界は、磁極１１６のギャップ１１９から試料１２０に向けて漏洩し、一次電子線Ｂ１を細束化させる。すなわち対物レンズ１１８はセミインレンズである。
　試料台１２１は試料１２０を保持するとともに、試料１２０の位置や姿勢を制御する。すなわち試料台１２１は、試料１２０を水平方向または鉛直方向に移動させたり、水平面に対して傾斜させたり、鉛直方向を回転軸として回転させたりする。試料台１２１には負の電圧が印加され、試料台１２１の上の試料１２０と対物レンズ１１８との間に一次電子線Ｂ１を減速させる電界が形成される。
　減速された一次電子線Ｂ１が試料１２０の上のＳ点に照射されると、Ｓ点から二次電子と反射電子が放出される。二次電子は例えばエネルギが１００ｅＶ未満の電子であり、反射電子は例えばエネルギが１００ｅＶ以上の電子である。また二次電子と反射電子のそれぞれは、試料１２０の表面に対して高角に放出される高角電子Ｃと低角に放出される低角電子Ｄに分けられる。一次電子線Ｂ１を減速させた電界は、高角電子Ｃを加速させながら、対物レンズ１１８の通路内に引き上げる。通路内に引き上げられた高角電子Ｃは対物レンズ１１８の磁界の作用を受けて螺旋軌道を描きながら電子銃１０１の側に進む。なおより多くの高角電子Ｃが引き上げられるように、対物レンズ１１８の内側に設けられる引上電極１１５に電圧が印加されても良い。
　ウィーンフィルタ１１４は、電極１１１及び電極１１２とコイル１１３を有し、電極１１１と電極１１２が形成する電界１３４とコイル１１３が形成する磁界１３３とによって、引き上げられた高角電子Ｃを第一検出器１１０に向けて偏向させる。なお電界１３４と磁界１３３は一次電子線Ｂ１にも作用するものの、両者の作用が打ち消し合うので一次電子線Ｂ１は直進する。
　第一検出器１１０は、ウィーンフィルタ１１４によって偏向された高角電子Ｃのうちの二次電子を検出し、検出された二次電子の量に応じた検出信号を制御装置１５０へ送信する。制御装置１５０は受信した検出信号に基づいて二次電子像を生成する。生成された二次電子像は、ディスプレイ１５１に表示されたり、記憶装置１５２に格納されたりする。
　図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃを用いて、Ｓ点から放出された低角電子Ｄの軌道について説明する。なお図２Ａは対物レンズ１１８及び試料１２０の側面図であり、図２Ｂと図２Ｃは試料１２０を電子銃１０１の側から見た上面図である。低角電子Ｄは、一次電子線Ｂ１に対する鏡面反射方向を中心として全方位に放出され、対物レンズ１１８から漏洩する磁界である漏洩磁界によって、図２Ａに示されるように試料１２０へ引き戻されて試料１２０に衝突する。なおＳ点から低角電子Ｄが試料１２０に衝突するＡ点までの距離は、低角電子Ｄのエネルギと仰角、漏洩磁界の強度に依存する。また図２Ｂと図２Ｃに示されるように、全方位に放出された低角電子Ｄのそれぞれは、Ｓ点を中心とする回転軌道を描く。なお回転軌道の方向は漏洩磁界の方向に依存し、磁界の方向が逆になると低角電子Ｄの回転軌道の方向も逆になる。すなわち、図２Ｂと図２Ｃでは、対物レンズコイル１１７に流れる電流の向きが逆であり、漏洩する磁界の方向も逆である。
　図３を用いて、Ｓ点から低角電子Ｄが試料１２０に衝突するＡ点までの距離と低角電子Ｄのエネルギの関係について説明する。図３には、エネルギの異なる三つの低角電子Ｄ１、Ｄ２，Ｄ３の軌道が示される。Ｓ点からＡ点までの距離は、低角電子Ｄのエネルギと仰角、漏洩磁界の強度に依存し、エネルギが高いほどまた磁界の強度が低いほど長い。すなわち図３に例示されるように、エネルギが最も高い低角電子Ｄ１が試料１２０に衝突するＡ１点がＳ点から最も遠く、エネルギが最も低い低角電子Ｄ３が試料１２０に衝突するＡ３点がＳ点から最も近い。なお低角電子Ｄは全方位に放出されるとともにエネルギと仰角の値が幅を有するので、低角電子Ｄが試料１２０に衝突するＡ点はＳ点を中心とする円環領域内に分布する。
　図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図３に例示される軌道の低角電子Ｄを検出するために、一次電子線Ｂ１が照射される位置であるＳ点に近づけられた検出器は、一次電子線Ｂ１の細束化に悪影響を及ぼす。そこで実施例１では、低角電子Ｄを検出する代わりに、低角電子Ｄが試料１２０に衝突するときに試料１２０から放出される二次電子を検出する。なお実施例１では低角電子Ｄが試料１２０に衝突するときに放出される二次電子を三次電子Ｅと呼び、Ｓ点から放出される二次電子と区別する。
　三次電子Ｅは低角電子Ｄのうちの比較的エネルギが高い反射電子によって放出させられる電子であり、三次電子Ｅの量は低角電子Ｄのうちの反射電子である低角反射電子の量に比例する。なお三次電子Ｅの量は低角電子Ｄが衝突する位置の状態にも依存するものの、低角電子Ｄが衝突するＡ点はＳ点を中心とする円環領域内に分布するので、低角電子Ｄが衝突する位置の状態の影響は軽減される。すなわち、三次電子Ｅを検出することによって得られる検出信号の強度に基づいて生成される画像は、低角反射電子像となる。試料の広い円環領域から発生する三次電子を検出すると、むしろノイズとなって鮮明な反射電子像を得ることは難しいと想到されるが、発明者は、計算および実験により、一次電子線が照射された構造が十分に認識可能な反射電子像が得られることを見出したのである。なお、低角電子Ｄのうちの比較的エネルギが低い二次電子は三次電子Ｅの放出に寄与しないので、以降の説明では低角電子Ｄを低角反射電子Ｄと読み替える。
　図４を用いて、低角反射電子Ｄが試料１２０に衝突するＡ点から放出される三次電子Ｅの軌道について説明する。三次電子Ｅは数ｅＶのエネルギを有し、低角反射電子Ｄが試料１２０に入射する方向の鏡面反射方向を中心として全方位に放出され、漏洩磁界によって螺旋軌道を描く。そこで、実施例１では、三次電子Ｅを検出する検出器がＳ点から離れた位置に配置されるとともに、対物レンズから漏洩される磁界が存在する空間において、三次電子Ｅを検出する検出器に向けて三次電子Ｅの軌道を制御する電界を重畳する電極が設けられる。
　図１の説明に戻る。第二検出器１３６は、三次電子Ｅを検出する検出器であり、蛍光板１３７、カバー１３８、光電子増倍管１３９を有する。蛍光板１３７は、三次電子Ｅの入射により発光する平板であって、第二検出器１３６の検出面である。カバー１３８は三次電子Ｅを蛍光板１３７に導く電界を形成する金属部材である。光電子増倍管１３９は、蛍光板１３７の発光によって生じる光電子を増幅させた電気信号を出力する。すなわち第二検出器１３６は、蛍光板１３７に入射した三次電子Ｅの量に応じた検出信号を制御装置１５０へ送信する。なお、第二検出器１３６は、一次電子線Ｂ１が照射されるＳ点から十分に離れた位置、例えば対物レンズ１１８の最外径よりも外側に配置される。また三次電子Ｅの検出効率を向上させるように第二検出器１３６の向きが定められる。例えば第二検出器１３６の中心線１４０、すなわち蛍光板１３７の中心を通り蛍光板１３７と直交する線と、試料１２０の表面とが交差するＴ点が、Ｓ点から離れて第二検出器１３６に近づくように、第二検出器１３６が配置される。補償電極１３５は、一次電子線Ｂ１が照射されるＳ点と第二検出器１３６との間に設けられる電極であり、対物レンズから漏洩される磁界が存在する空間において、三次電子Ｅの軌道を制御する電界を形成する。なお、第二検出器１３６の中心線１４０とは、光電子増倍管の形状である円筒の中心線にほぼ重なる。
　図５Ａ及び図５Ｂを用いて、対物レンズから漏洩される磁界が存在する空間において、補償電極１３５による三次電子Ｅの軌道の制御について説明する。なお図５Ａは側面図であり、図５Ｂは電子銃１０１の側から見た上面図である。また図５Ａ及び図５Ｂには、Ｓ点から全方位に放出される低角反射電子Ｄのうちの一つの軌道だけが示される。
　実施例１の補償電極１３５は、互いに平行な平板である電極１３５Ａ１と電極１３５Ａ２によって構成され、電圧源１４９から電圧が印加される。試料１２０の表面及び蛍光板１３７に対して略垂直に配置される電極１３５Ａ１と電極１３５Ａ２とに、互いに逆極性で絶対値の等しい電圧が印加されるとき、試料１２０の表面及び蛍光板１３７と略平行な矢印１６１の方向に電界が形成される。そして補償電極１３５に印加される電圧の調整により、Ａ点から放出される三次電子Ｅが第二検出器１３６に検出される割合を制御できる。
　図６を用いて、補償電極１３５に印加される電圧と第二検出器１３６に検出される三次電子Ｅの数との関係の一例について説明する。図６は、電子軌道解析によって得られた関係であり、横軸は電極１３５Ａ１に印加される電圧、縦軸は第二検出器１３６に検出される三次電子Ｅの数である。なお、電極１３５Ａ２には電極１３５Ａ１に印加される電圧とは逆極性の電圧が印加される。
　図６によれば、電極１３５Ａ１に正の電圧が印加されるとき、検出される三次電子Ｅの数は少なく、電極１３５Ａ１に負の電圧が印加され絶対値が大きくなるにつれて、検出される三次電子Ｅの数が増大する。電極１３５Ａ１に負の電圧が印加されるとき、電極１３５Ａ１と電極１３５Ａ２の間には図５Ｂの矢印１６１の方向に電界が形成される。矢印１６１の方向の電界は、漏洩磁界によってＳ点を中心とする低角反射電子Ｄの回転を抑制するように作用する。
　図５Ｂの説明に戻る。Ａ点から放出される三次電子Ｅは、いったんは電極Ａ１に近づくものの、矢印１６１の方向の電界によって第二検出器１３６へ向かうように軌道が制御される。すなわち、対物レンズから漏洩される磁界が存在する空間において、電極１３５Ａ１と電極１３５Ａ２の間に形成される電界の強度を調整することによって、第二検出器１３６に検出される三次電子Ｅの割合を制御できる。なお第二検出器１３６に検出される電子には、三次電子Ｅに限らず、Ｓ点から放出される二次電子や反射電子、Ａ点から放出される反射電子等が含まれても良い。ただし、第二検出器１３６に検出される電子の主要素は三次電子Ｅであり、Ｓ点から放出される二次電子や反射電子、Ａ点から放出される反射電子の量は三次電子Ｅの量よりも少ない。
　また図５Ｂの構成では、全方位のうちの特定の方位に放出される低角反射電子Ｄが試料１２０に衝突することによって放出される三次電子Ｅが検出される。そのため、生成される低角反射電子像は方位限定された画像となる。
　なお低角反射電子Ｄが衝突するＡ点が試料１２０または試料台１２１から外れた位置であると三次電子Ｅは放出されないので、試料１２０または試料台１２１はＡ点が分布する円環領域を包含する大きさを有することが望ましい。円環領域の外径は漏洩磁界の強度に依存し、例えば像分解能が数ｎｍの電子顕微鏡１００に用いられる対物レンズ１１８の場合、２００ｍｍ程度である。すなわち、電子顕微鏡１００の像分解能が数ｎｍである場合、試料１２０または試料台１２１は２００ｍｍ以上の直径を有することが望ましい。なお試料１２０または試料台１２１の形状は、円に限定されず、矩形等の任意の形状であっても良い。
　また電極１３５Ａ１と電極１３５Ａ２の間に形成される電界の方向は、漏洩磁界の方向に応じて設定されることが望ましい。すなわち図２Ｃや図５Ｂに例示されるように低角反射電子Ｄが反時計回りに回転する場合は図５Ｂの矢印１６１の方向に電界を形成させ、図２Ｂに例示されるように低角反射電子Ｄが時計回りに回転する場合は逆方向に電界を形成させる。言い換えると、漏洩磁界による低角反射電子Ｄの回転を抑制する方向の電界が補償電極１３５によって形成されることが望ましい。すなわち、対物レンズの漏洩磁界に、補償電極１３５によって形成される電界を重畳することによって、三次電子を第二検出器１３６に導くのである。
　またＡ点から放出される三次電子Ｅは、試料１２０の表面近傍を飛行するので、補償電極１３５は試料１２０の表面近傍に配置されることが望ましい。なお、試料１２０との衝突を避けるために、試料１２０と補償電極１３５との距離を、例えば試料１２０と対物レンズ１１８との距離と同等にしても良い。さらに補償電極１３５によって形成される電界によって三次電子Ｅの軌道を制御するので、補償電極１３５の試料１２０に対向する面は、試料１２０の表面に平行であることが望ましい。このような構造により、三次電子Ｅが飛行する領域をより広く覆う電界が形成でき、三次電子Ｅの軌道を制御しやすくなる。
　なお補償電極１３５を構成する電極の数は二つに限定されず、三つ以上であっても良く、第二検出器１３６から出力される検出信号の値がより高くなるように各電極に印加される電圧が調整されても良い。また第二検出器１３６の中心線１４０と、試料１２０の表面とのなす角は、第二検出器１３６から出力される検出信号の値がより高くなるように調整されても良い。
　図７を用いて、ディスプレイ１５１に表示される画面の一例について説明する。図７に例示される画面には、二次電子像１５４、反射電子像１５５とともに、インジケータ１５６が表示される。二次電子像１５４は第一検出器１１０から送信される検出信号に基づいて生成された画像であり、反射電子像１５５は第二検出器１３６から送信される検出信号に基づいて生成された画像である。インジケータ１５６には補償電極１３５に電圧が印加されているか否かが表示され、図７には電圧が印加されている場合が例示される。
　二次電子像１５４は、多くの場合、信号ノイズ比ＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）が高い画像であるので試料１２０の細部を観察しやすい画像であるものの、試料１２０の凹凸を認識しにくい画像でもある。これに対し反射電子像１５５は方位限定された画像であるので、照明方向１５７から光を当てたかのように、構造物の端部を示す輝線１５８や構造物の近傍に生じる影１５９が含まれる画像となる。すなわち、試料１２０の凹凸を認識しやすい画像となる。
　以上説明したように、対物レンズであるセミインレンズから漏洩する磁界が存在する空間において、補償電極１３５によって形成される電界を重畳させることによって、低角反射電子Ｄが試料１２０に衝突するＡ点から放出される三次電子Ｅが第二検出器１３６に向かうように制御されるので、第二検出器１３６によって三次電子Ｅを検出できる。三次電子Ｅの量は、電子線が照射されるＳ点から放出される低角反射電子の量に比例するので、第二検出器１３６の検出信号に基づいて、低角反射電子像を生成できる。なお第二検出器１３６は一次電子線Ｂ１の細束化に悪影響を与えない位置に配置され、補償電極１３５はＡ点と第二検出器１３６との間に設けられる。
　すなわち実施例１によれば、試料に磁界を漏洩させる対物レンズを備える電子顕微鏡であっても、試料面に対して低角で放出される反射電子による走査電子顕微鏡像を取得可能な電子顕微鏡を提供することができる。また従来に比べて凹凸を認識しやすい画像を得ることができる。
　実施例１では、低角反射電子Ｄが試料１２０に衝突するＡ点と第二検出器１３６との間に設けられる補償電極１３５が、互いに平行な電極１３５Ａ１と電極１３５Ａ２によって構成される場合について説明した。実施例２では、電極１３５Ａ１と電極１３５Ａ２とによって構成される補償電極１３５とともに、グリッド電極が設けられる場合について説明する。なお実施例２には、実施例１で説明した構成や機能の一部を適用できるので、同様の構成、機能については同じ符号を用いて説明を省略する。
　図８Ａ及び図８Ｂを用いて実施例２の補償電極１３５とグリッド電極１６２について説明する。なお図８Ａは側面図であり、図８Ｂは電子銃１０１の側から見た上面図である。補償電極１３５は、実施例１と同様に、互いに平行な電極１３５Ａ１と電極１３５Ａ２によって構成され、低角反射電子Ｄが試料１２０に衝突するＡ点と第二検出器１３６との間に設けられる。
　グリッド電極１６２は、金属線が格子状に組まれた電極であり、一次電子線Ｂ１が照射されるＳ点と補償電極１３５との間に設けられる。なおグリッド電極１６２の代わりに、電子が通過する複数の開口を有する金属薄板で構成される電極が用いられても良い。グリッド電極１６２は接地電位であり、補償電極１３５によって形成される電界が一次電子線Ｂ１を偏向させることを防ぐ。その結果、偏向収差による一次電子線Ｂ１のビーム径増大が抑制され、電子顕微鏡の分解能を維持できる。なお、Ａ点から放出される三次電子Ｅは、グリッド電極１６２を通過した後、補償電極１３５によって形成される電界と漏洩磁界からの力を受けながら飛行し、第二検出器１３６に入射して検出される。
　またグリッド電極１６２を通過する三次電子Ｅを増加させるために、グリッド電極１６２に数ボルトの電圧が印加されても良い。グリッド電極１６２を通過する三次電子Ｅが増加することにより、第二検出器１３６での検出効率が向上し、ＳＮＲが高い反射電子像を得ることができる。
　実施例２によれば、実施例１と同様に、試料に磁界を漏洩させる対物レンズを備える電子顕微鏡であっても、試料面に対して低角で放出される反射電子による走査電子顕微鏡像を取得可能な電子顕微鏡を提供することができる。またグリッド電極１６２によって、一次電子線Ｂ１のビーム径増大が抑制されたり、第二検出器１３６での検出効率を向上させたりできるので、反射電子像の画質を向上させることができる。
　実施例１では、低角反射電子Ｄが試料１２０に衝突するＡ点と第二検出器１３６との間に設けられる補償電極１３５が、互いに平行な電極１３５Ａ１と電極１３５Ａ２によって構成される場合について説明した。実施例３では、補償電極１３５が、電極１３５Ａ１と電極１３５Ａ２のいずれか一方によって構成される場合について説明する。なお実施例３には、実施例１で説明した構成や機能の一部を適用できるので、同様の構成、機能については同じ符号を用いて説明を省略する。
　図９Ａ及び図９Ｂを用いて実施例３の補償電極１３５について説明する。なお図９Ａは側面図であり、図９Ｂは電子銃１０１の側から見た上面図である。また図９Ａ及び図９Ｂには、Ｓ点から全方位に放出される低角反射電子Ｄのうちの一つの軌道だけが示される。
　図９Ａ及び図９Ｂに例示される補償電極１３５は、実施例１と同様に、低角反射電子Ｄが試料１２０に衝突するＡ点と第二検出器１３６との間に設けられる。ただし、実施例１に示された互いに平行な電極１３５Ａ１と電極１３５Ａ２のうちの一方である電極１３５Ａ１によって、補償電極１３５が構成される。また図９Ｂに示されるように、低角反射電子Ｄは、漏洩磁界によって反時計回りに回転して電極１３５Ａ１の側に向かい、試料１２０と衝突するＡ点から三次電子Ｅを放出させる。図９Ｂにおいて、電極１３５Ａ１に負の電圧が印加されると、三次電子Ｅは電極１３５Ａ１にいったんは近づくものの、電極１３５Ａ１の周辺に形成される電界によって第二検出器１３６へ向かうように軌道が制御される。すなわち、対物レンズであるセミインレンズから漏洩する磁界が存在する空間において、電極１３５Ａ１の周辺に形成される電界の強度を調整することによって、第二検出器１３６に検出される三次電子Ｅの割合を制御できる。
　図１０を用いて、図９Ｂの電極１３５Ａ１に印加される電圧と第二検出器１３６に検出される三次電子Ｅの数との関係の一例について説明する。なお図１０は、図６と同様に電子軌道解析によって得られた関係であり、横軸は電極１３５Ａ１に印加される電圧、縦軸は第二検出器１３６に検出される三次電子Ｅの数である。
　図１０には、電極１３５Ａ１に－２００Ｖの電圧が印加されるときに検出される三次電子Ｅの数が最多であり、電圧が印加されない場合の約６倍であることが示される。ただし、電極１３５Ａ１に正の電圧が印加される場合には、検出される三次電子Ｅの数に大きな変化はない。つまり、実施例１と同様に、漏洩磁界による低角反射電子Ｄの回転を抑制する方向に電界が形成されるように、電極１３５Ａ１に電圧が印加されることが望ましい。
　図１１Ａ及び図１１Ｂを用いて実施例３の補償電極１３５の変形例について説明する。なお図１１Ａは側面図であり、図１１Ｂは電子銃１０１の側から見た上面図である。また図１１Ａ及び図１１Ｂには、Ｓ点から全方位に放出される低角反射電子Ｄのうちの一つの軌道だけが示される。
　図１１Ａ及び図１１Ｂに例示される補償電極１３５は、図９Ａ及び図９Ｂと同様に、低角反射電子Ｄが試料１２０に衝突するＡ点と第二検出器１３６との間に設けられる。ただし、図９Ａ及び図９Ｂの場合とは逆側の電極である電極１３５Ａ２によって、補償電極１３５が構成される。また図１１Ｂに示されるように、低角反射電子Ｄは、漏洩磁界によって、図９Ｂとは逆方向である時計回りに回転して電極１３５Ａ２の側に向かい、試料１２０と衝突するＡ点から三次電子Ｅを放出させる。図１１Ｂにおいて、電極１３５Ａ２に負の電圧が印加されると、三次電子Ｅは電極１３５Ａ２にいったんは近づくものの、電極１３５Ａ２の周辺に形成される電界によって第二検出器１３６へ向かうように軌道が制御される。すなわち、対物レンズであるセミインレンズから漏洩する磁界が存在する空間において、電極１３５Ａ２の周辺に形成される電界の強度を調整することによって、第二検出器１３６に検出される三次電子Ｅの割合を制御できる。
　図１２を用いて、図１１Ｂの電極１３５Ａ２に印加される電圧と第二検出器１３６に検出される三次電子Ｅの数との関係の一例について説明する。なお図１２は、図６や図１０と同様に電子軌道解析によって得られた関係であり、横軸は電極１３５Ａ２に印加される電圧、縦軸は第二検出器１３６に検出される三次電子Ｅの数である。
　図１２には、電極１３５Ａ２に－２００Ｖの電圧が印加されるときに検出される三次電子Ｅの数が最多であって、電極１３５Ａ２に正の電圧が印加される場合には検出される三次電子Ｅの数に大きな変化が無いことが示され、図１０と同じ傾向である。つまり、実施例１と同様に、漏洩磁界による低角反射電子Ｄの回転を抑制する方向に電界が形成されるように、電極１３５Ａ２に電圧が印加されることが望ましい。
　図１３Ａ及び図１３Ｂを用いて実施例３の補償電極１３５の変形例について説明する。なお図１３Ａは側面図であり、図１３Ｂは電子銃１０１の側から見た上面図である。また図１３Ａ及び図１３Ｂには、Ｓ点から全方位に放出される低角反射電子Ｄのうちの一つの軌道だけが示される。
　図１３Ａ及び図１３Ｂに例示される補償電極１３５は、図１１Ａ及び図１１Ｂと同様に、低角反射電子Ｄが試料１２０に衝突するＡ点と第二検出器１３６との間に設けられる電極１３５Ａ２によって構成される。また図１３Ｂに示されるように、低角反射電子Ｄは、漏洩磁界によって、図１１Ｂとは逆方向である反時計回りに回転して電極１３５Ａ２の側から遠ざかり、試料１２０と衝突するＡ点から三次電子Ｅを放出させる。図１３Ｂにおいて、電極１３５Ａ２に正の電圧が印加されると、三次電子Ｅは電極１３５Ａ２からいったんは離れるものの、電極１３５Ａ２の周辺に形成される電界によって第二検出器１３６へ向かうように軌道が制御される。すなわち、対物レンズであるセミインレンズから漏洩する磁界が存在する空間において、電極１３５Ａ２の周辺に形成される電界の強度を調整することによって、第二検出器１３６に検出される三次電子Ｅの割合を制御できる。また補償電極１３５が、電極１３５Ａ１と電極１３５Ａ２のいずれか一方によって構成される場合であっても、補償電極１３５に印加される電圧の極性を漏洩磁界の向きに応じて切り替えることにより、三次電子Ｅを検出できる。
　図１４を用いて、図１３Ｂの電極１３５Ａ２に印加される電圧と第二検出器１３６に検出される三次電子Ｅの数との関係の一例について説明する。なお図１４は、図６や図１０、図１２と同様に電子軌道解析によって得られた関係であり、横軸は電極１３５Ａ２に印加される電圧、縦軸は第二検出器１３６に検出される三次電子Ｅの数である。
　図１４には、電極１３５Ａ２に負の電圧が印加される場合には検出される三次電子Ｅの数は余り増加せず、電極１３５Ａ２に印加される正の電圧が高くなるにつれて検出される三次電子Ｅの数が増加することが示される。つまり、実施例１と同様に、漏洩磁界による低角反射電子Ｄの回転を抑制する方向に電界が形成されるように、電極１３５Ａ２に電圧が印加されることが望ましい。
　また図１４において検出される三次電子Ｅの数を図１２と同等にするには、電極１３５Ａ２に印加される電圧の絶対値をより高くする必要がある。すなわち電極１３５Ａ２が形成する電界の強度は電極１３５Ａ２に近いほど大きくなるので、電極１３５Ａ２に近づく三次電子Ｅよりも電極１３５Ａ２から遠ざかる三次電子Ｅのほうがより高い電圧を必要とする。
　実施例３によれば、実施例１と同様に、試料に磁界を漏洩させる対物レンズを備える電子顕微鏡であっても、試料面に対して低角で放出される反射電子による走査電子顕微鏡像を取得可能な電子顕微鏡を提供することができる。また実施例３の補償電極１３５は、電極１３５Ａ１と電極１３５Ａ２のいずれか一方のみで構成されるので、構造が簡単で製造コストの低い電子顕微鏡を提供することができる。
　実施例１では、試料１２０が水平に保たれた場合について説明した。実施例４では、試料１２０が水平面に対して傾けられた場合について説明する。なお実施例４には、実施例１で説明した構成や機能の一部を適用できるので、同様の構成、機能については同じ符号を用いて説明を省略する。
　図１５Ａ及び図１５Ｂを用いて実施例４について説明する。なお図１５Ａは側面図であり、図１５Ｂは電子銃１０１の側から見た上面図である。また図１５Ａ及び図１５Ｂには、Ｓ点から全方位に放出される低角反射電子Ｄのうちの一つの軌道だけが示される。
　図１５Ａ及び図１５Ｂに例示される補償電極１３５は、図９Ａ及び図９Ｂと同様に、電極１３５Ａ１によって構成され、低角反射電子Ｄが試料１２０に衝突するＡ点と第二検出器１３６との間に設けられる。また試料台１２１が水平面に対して４５度傾けられることにより、試料台１２１に保持される試料１２０も水平面に対して４５度傾けられる。図１５Ｂでは、低角反射電子Ｄが試料１２０に衝突するＡ点が対物レンズ１１８からより離れているので、Ａ点付近の磁界強度が弱く、Ａ点から放出される三次電子Ｅは第二検出器１３６に到達しやすい。なお、試料１２０との衝突を避けるため、電極１３５Ａ１及び第二検出器１３６は試料１２０が下がる側に設けられる。
　図１６Ａ及び図１６Ｂを用いて実施例４の変形例について説明する。なお図１６Ａは側面図であり、図１６Ｂは電子銃１０１の側から見た上面図である。また図１６Ａ及び図１６Ｂには、Ｓ点から全方位に放出される低角反射電子Ｄのうちの一つの軌道だけが示される。
　図１６Ａ及び図１６Ｂに例示される補償電極１３５及び第二検出器１３６は、図９Ａ及び図９Ｂと同様に、電極１３５Ａ１によって構成され、低角反射電子Ｄが試料１２０に衝突するＡ点と第二検出器１３６との間に設けられる。また図１５Ａ及び図１５Ｂと同様に、試料１２０が水平面に対して４５度傾けられる。ただし、三次電子Ｅの検出率を向上させるため、図１６Ｂのように試料１２０の傾斜方向に対して斜めであって、低角反射電子Ｄが向かう側に電極１３５Ａ１及び第二検出器１３６が配置されるように、試料１２０は傾けられる。一方、点線で示される第二検出器１３６Ｇの位置では、三次電子Ｅの検出率が低下する。なお漏洩磁界の方向が逆になった場合には、第二検出器１３６Ｇの位置において、三次電子Ｅの検出率が向上する。すなわち、漏洩磁界の方向や第二検出器１３６の位置に応じて、第二検出器１３６における三次電子Ｅの検出率が向上するように試料１２０が傾けられる方向が設定されても良い。また、第二検出器１３６における三次電子Ｅの検出率が向上するように漏洩磁界の方向が設定されても良い。
　実施例４によれば、実施例１と同様に、試料に磁界を漏洩させる対物レンズを備える電子顕微鏡であっても、試料面に対して低角で放出される反射電子による走査電子顕微鏡像を取得可能な電子顕微鏡を提供することができる。また試料１２０が水平面に対して傾けられた場合であっても三次電子Ｅを検出できるので、高いＳＮＲを有する反射電子像を得ることができる。
　実施例１乃至４では、一組の補償電極１３５と第二検出器１３６が設けられる場合について説明した。実施例５では、二組の補償電極１３５と第二検出器１３６が設けられる場合について説明する。なお実施例５には、実施例１で説明した構成や機能の一部を適用できるので、同様の構成、機能については同じ符号を用いて説明を省略する。
　図１７Ａ及び図１７Ｂを用いて実施例５について説明する。なお図１７Ａ及び図１７Ｂは電子銃１０１の側から見た上面図であり、図１７Ａでは試料１２０が水平に保たれ、図１７Ｂでは試料１２０が図１６Ｂと同様に傾けられる。また図１７ＡにはＳ点から全方位に放出される低角反射電子Ｄのうちの二つの軌道が示される。
　図１７Ａ及び図１７Ｂには、電極１３５Ａ１と第二検出器１３６との組が図１６Ｂと同様に設けられるとともに、電極１３５Ｂ１と第二検出器１３６Ｔとの組が設けられる。Ｓ点から第二検出器１３６と第二検出器１３６Ｔとのそれぞれに延びる半直線がなす角は９０度である。
　電極１３５Ａ１は、低角反射電子Ｄが試料１２０に衝突するＡ点と第二検出器１３６との間に設けられ、対物レンズ１１８から漏洩するに磁界が存在する空間において、Ａ点から放出される三次電子Ｅが第二検出器１３６に向かうような電界を重畳する。また電極１３５Ｂ１は、低角反射電子ＤＴが試料１２０に衝突するＡＴ点と第二検出器１３６Ｔとの間に設けられ、対物レンズ１１８から漏洩するに磁界が存在する空間において、ＡＴ点から放出される三次電子ＥＴが第二検出器１３６Ｔに向かうような電界を重畳する。
　第二検出器１３６が検出する三次電子Ｅと第二検出器１３６Ｔが検出する三次電子ＥＴとは、方位角が異なる低角反射電子Ｄと低角反射電子ＤＴのそれぞれが試料１２０に衝突することで放出されるので、方位角が異なる二つの反射電子像を得ることができる。得られた二つの反射電子像は、照明方向が９０度異なる陰影像であるので、両者の観察によって試料１２０の凹凸構造がより明確に把握できる。なお、二組の補償電極１３５と第二検出器１３６が図１７Ｂのように配置されれば、試料１２０が傾けられた場合であっても方位角が異なる二つの反射電子像を得ることができる。
　実施例５によれば、実施例１と同様に、試料に磁界を漏洩させる対物レンズを備える電子顕微鏡であっても、試料面に対して低角で放出される反射電子による走査電子顕微鏡像を取得可能な電子顕微鏡を提供することができる。また方位角が異なる二つの反射電子像を得ることができるので、試料１２０の凹凸構造をより明確に把握できる。
　実施例１乃至５では、低角反射電子Ｄが試料１２０に衝突するＡ点と第二検出器１３６との間に補償電極１３５が設けられる場合について説明した。実施例６では、補償電極１３５の代わりに、三次電子Ｅの軌道を制御するための磁界を形成する補償磁極が設けられる場合について説明する。なお実施例６には、実施例１で説明した構成や機能の一部を適用できるので、同様の構成、機能については同じ符号を用いて説明を省略する。
　図１８Ａ及び図１８Ｂを用いて実施例６について説明する。なお図１８Ａは側面図であり、図１８Ｂは電子銃１０１の側から見た上面図である。また図１８Ａ及び図１８ＢにはＳ点から全方位に放出される低角反射電子Ｄのうちの一つの軌道だけが示される。
　図１８Ａ及び図１８Ｂには、低角反射電子Ｄが試料１２０に衝突するＡ点と第二検出器１３６との間に設けられる補償磁極１３１が示される。補償磁極１３１は、漏洩磁界による低角反射電子Ｄの回転を抑制するように作用する磁界を形成する。すなわち、漏洩磁界の方向とは逆方向の磁界が補償磁極１３１によって形成される。補償磁極１３１によって形成される磁界は、低角反射電子Ｄが試料１２０に衝突するＡ点から放出される三次電子Ｅが第二検出器１３６に向かうように作用する。その結果、第二検出器１３６によって検出される三次電子Ｅの数が増え、高いＳＮＲの反射電子像を得ることができる。
　なお対物レンズコイル１１７を流れる電流が逆向きになった場合には、補償磁極１３１が形成する磁界の方向も逆方向になるように制御されれば良い。さらに補償磁極１３１は、低角反射電子Ｄが飛行する領域から十分に離れて配置されることが望ましい。また補償磁極１３１の代わりに、漏洩磁界を遮蔽する磁気遮蔽材がＡ点と第二検出器１３６との間に設けられても良い。
　実施例６によれば、実施例１と同様に、試料に磁界を漏洩させる対物レンズを備える電子顕微鏡であっても、試料面に対して低角で放出される反射電子による走査電子顕微鏡像を取得可能な電子顕微鏡を提供することができる。また補償磁極１３１として永久磁石が用いられる場合、補償磁極１３１に用いられる電源を備えずにすむので、構造が簡単で製造コストやランニングコストの低い電子顕微鏡を提供することができる。
　実施例１乃至５では、補償電極１３５として平板な電極が設けられる場合について説明した。実施例７では、補償電極１３５として屈折した形状の電極が設けられる場合について説明する。なお実施例７には、実施例１で説明した構成や機能の一部を適用できるので、同様の構成、機能については同じ符号を用いて説明を省略する。
　図１９Ａ及び図１９Ｂを用いて実施例７について説明する。なお図１９Ａ及び図１９Ｂは電子銃１０１の側から見た上面図である。図１９Ａでは試料１２０が水平に保たれ、図１９Ｂでは試料１２０が４５度傾けられる。なお、傾斜軸はＹ軸に平行な軸である。また図１９ＡにはＳ点から全方位に放出される低角反射電子Ｄのうちの一つの軌道が示される。
　電極１３５Ａ１及び電極１３５Ａ２は、低角反射電子Ｄが試料１２０に衝突するＡ点と第二検出器１３６との間に設けられる。そして、対物レンズ１１８から漏洩するに磁場が存在する空間において、Ａ点から放出される三次電子Ｅが第二検出器１３６に向かうような電界を重畳する。これにより反射電子放出の方位角が制限された反射電子像が得られる。
　ここで、本実施例では、図１９Ａ及び図１９Ｂに示すように、電極１３５Ａ１及び電極１３５Ａ２が、一次電子線Ｂ１が照射されるＳ点側で、すなわち対物レンズ側で対向する電極に向かって４５度屈折している。このようにすると、三次電子Ｅが第二検出器１３６に到達する確率が特に高くなることが分かった。特に、対物レンズの励磁が強く反射電子が衝突する位置Ａが、Ｓ点に近い場合に効果が高い。これにより高ＳＮＲの反射電子像が得られる。すなわち、試料１２０の凹凸構造がより明確に把握できる。なお、電極１３５Ａ１が図１９Ａのように内側に屈折していることが重要である。その結果として対向する電極１３５Ａ２との距離が検出器側に比べて先端側で短くなる。また、対物レンズ側で第二検出器１３６の中心線１４０に向かって屈折していると表現できる。すなわち、電極１３５Ａ１を、図１９Ｂに示すように検出器の中心線１４０に向けて屈折させると、図１９Ｂに示すように、ステージをＹ軸に平行な軸で傾斜させた場合も、電極１３５Ａ１とステージが干渉しないという効果を奏する。
　図１９Ａでは、電極１３５Ａ２も、対物レンズ側を検出器の中心線の方向に屈折している。このようにすると、三次電子Ｅが第二検出器１３６に到達する確率が特に高くなることが分かった。ただし、その効果は、実施例７の対物レンズの磁場条件では電極１３５Ａ１の効果の方が大きい。すなわち、実施例７では、電極１３５Ａ１および電極１３５Ａ２の双方とも屈折させたが、一方のみを屈折させてもよい。また、図１９Ａでは平板を屈折させたが、円弧上に曲げても良い。また、必ずしも平板である必要もない。
　なお、補償電極が第二検出器１３６の中心線１４０に向かって屈折するというのは、屈折の方向が一つの方向に限定されるものではない。第二検出器１３６近傍の空間を、補償電極に対して第二検出器１３６の中心線１４０が含まれる空間と、中心線１４０が含まれない空間に、おおよそ分けた時に、第二検出器１３６の中心線１４０が含まれる空間側に屈折していたり、湾曲していたりすればよく、屈折や湾曲の始まりの位置や方向、屈折の角度、湾曲の曲率が限定されるものではない。
　また、２個の補償電極の間隔が、対物レンズ側と検出器側で比べて電子線側が小さくなっていると同様な効果を得られることがわかった。すなわち、補償電極と検出器の中心線との距離が、検出器側に比べて対物レンズ側に短い箇所が存在すれば同様な効果が得られる。
　また、図１９Ａ、図１９Ｂには、実施例２に示したように補償電極１３５とＳ点の間にグリッド電極１６２を挿入している。この場合には、補償電極電圧の電子ビームへの影響を低減できるという効果を奏する。
　実施例７によれば、実施例１と同様に、試料に磁界を漏洩させる対物レンズを備える電子顕微鏡であっても、試料面に対して低角で放出される反射電子による走査電子顕微鏡像を取得可能な電子顕微鏡を提供することができる。また、特に高効率に三次電子を検出できるので高ＳＮＲの反射電子像を得ることができるので、試料１２０の凹凸構造をより明確に把握できる。
　以上、本発明の電子顕微鏡の複数の実施例について説明した。本発明は上記実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせても良い。さらに、上記実施例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除しても良い。
１００…電子顕微鏡、１０１…電子銃、１０２…引出電極、１０４…陽極、１０５…集束レンズ、１０６…絞り、１０７…調整ノブ、１０８…上側偏向器、１０９…下側偏向器、１１０…第一検出器、１１１…電極、１１２…電極、１１３…コイル、１１４…ウィーンフィルタ、１１５…引上電極、１１６…磁極、１１７…対物レンズコイル、１１８…対物レンズ、１１９…ギャップ、１２０…試料、１２１…試料台、１３１…補償磁極、１３３…磁界、１３４…電界、１３５…補償電極、１３６…第二検出器、１３７…蛍光板、１３８…カバー、１３９…光電子増倍管、１５０…制御装置、１５１…ディスプレイ、１５２…記憶装置、１５３…制御テーブル、１５４…二次電子像、１５５…反射電子像、１５６…インジケータ、１５７…照明方向、１５８…輝線、１５９…影、１６１…矢印、１６２…グリッド電極

Claims (15)

  1. 　電子線を用いて試料の観察画像を生成する電子顕微鏡であって、
    　前記電子線を前記試料に照射する電子源と、
    　前記試料に向けて漏洩される磁界である漏洩磁界によって前記電子線を集束する対物レンズと、
    　前記試料の表面に対して低角で放出される反射電子である低角反射電子が前記漏洩磁界によって前記試料に衝突させられるときに放出される電子である三次電子を検出する検出器と、
    　前記低角反射電子が前記試料に衝突する位置と前記検出器との間に設けられ、前記三次電子の軌道を制御する補償電極または補償磁極を備えることを特徴とする電子顕微鏡。
  2. 　請求項１に記載の電子顕微鏡であって、
    　前記補償電極は、前記三次電子を前記検出器に向かわせる電界を形成することを特徴とする電子顕微鏡。
  3. 　請求項２に記載の電子顕微鏡であって、
    　前記補償電極は、互いに平行な二つの平板であって、前記試料の表面及び前記検出器の検出面と垂直に配置され、互いに逆極性の電圧が印加されることを特徴とする電子顕微鏡。
  4. 　請求項２に記載の電子顕微鏡であって、
    　前記補償電極の少なくとも一つが、前記対物レンズ側を検出器中心線側に屈折させた形状であることを特徴とする電子顕微鏡。
  5. 　請求項３に記載の電子顕微鏡であって、
    　前記補償電極と前記試料との間に設けられるグリッド電極をさらに備えることを特徴とする電子顕微鏡。
  6. 　請求項２に記載の電子顕微鏡であって、
    　前記補償電極は、前記試料の表面及び前記検出器の検出面と垂直に配置される平板であって、前記漏洩磁界による前記低角反射電子の回転を抑制する電界を形成するような電圧が印加されることを特徴とする電子顕微鏡。
  7. 　請求項１に記載の電子顕微鏡であって、
    　前記観察画像の信号ノイズ比は、前記補償電極が形成する電界の強度または前記補償磁極が形成する磁界の強度の調整によって制御されることを特徴とする電子顕微鏡。
  8. 　請求項７に記載の電子顕微鏡であって、
    　前記観察画像は、全方位のうちの特定の方位に放出された低角反射電子が前記試料に衝突することによって放出される三次電子の検出信号に基づいて生成されることを特徴とする電子顕微鏡。
  9. 　請求項１に記載の電子顕微鏡であって、
    　前記試料を保持する試料台または前記試料は、前記漏洩磁界によって前記低角反射電子が衝突する領域を包含する大きさを有することを特徴とする電子顕微鏡。
  10. 　請求項１に記載の電子顕微鏡であって、
    　前記漏洩磁界の方向は、前記検出器における前記三次電子の検出率が向上するように設定されることを特徴とする電子顕微鏡。
  11. 　請求項１に記載の電子顕微鏡であって、
    　前記試料を保持するとともに、水平面に対して傾斜する試料台をさらに備え、
    　前記検出器と前記補償電極または前記補償磁極は、前記試料台が傾斜するときに前記試料と衝突しないように配置されることを特徴とする電子顕微鏡。
  12. 　請求項１に記載の電子顕微鏡であって、
    　前記試料を保持するとともに、水平面に対して傾斜する試料台をさらに備え、
    　前記試料台は、前記検出器における前記三次電子の検出率が向上するように傾斜させられることを特徴とする電子顕微鏡。
  13. 　請求項１に記載の電子顕微鏡であって、
    　前記検出器と前記補償電極または前記補償磁極との組を複数備え、各組は異なる方位角に配置されることを特徴とする電子顕微鏡。
  14. 　請求項１に記載の電子顕微鏡であって、
    　前記補償磁極は、前記三次電子を前記検出器に向かわせる磁界を形成することを特徴とする電子顕微鏡。
  15. 　請求項１４に記載の電子顕微鏡であって、
    　前記補償磁極は、前記漏洩磁界と逆方向の磁界を形成することを特徴とする電子顕微鏡。
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